平成29年度

排水機場における状態監視診断手法の検討（国研）土木研究所 寒地土木研究所 寒地機械技術チーム○平地 一典澤口 重夫
小林 勇一

排水機場は、洪水被害の防止を目的に設置されている重要な社会基盤設備である。しかしながら、近年、老朽化の進行により重大な故障の発生が懸念されており、効率的で、効果的な設備の維持管理が求められている。そこで、非常用設備である排水機場における状態監視診断技術の適用性を検討するため、ローター試験機を製作し、振動加速度、ＳＰＭ、ＡＥ、それぞれの計測結果を分析したので、実機における計測結果とあわせて報告を行う。

キーワード：排水機場、減速機、状態監視診断、非常用設備

1. はじめに排水機場ポンプ設備は、洪水被害防止を目的に河川に設置された極めて重要な社会基盤施設であり、豪雨や異常出水時には確実に稼働することが要求される。そのためには設備の万全な整備が不可欠であり、これまで管理者は、定期的に整備する「時間計画保全」の考え方で維持管理を実施している。この手法は、確実な整備が行えるという点でメリットが大きいが、内部劣化の有無によらずに定期的に整備を行うため、経済性で不利な場合がある。さらに排水機場においては、今後 10 年で約 40％が設置後 50 年を超えることから、老朽化の進行による故障頻度上昇の懸念がある反面、整備予算は年々削減されている。そこで、この相反する状況下で効率的で適確な設備維持管理を行うため、土木研究所先端技術チームを中心として、常用系設備で導入されている「状態監視保全」を非常用設備である排水機場ポンプ設備の維持管理に導入するための研究を進めている 1)。これまで、振動、超音波、潤滑油、サーモグラフィ等による状態監視の適用について検討を実施してきており、本稿では、低回転である横軸ポンプ設備減速機の状態監視診断の検討について報告する。

2. 減速機の診断手法の検討
排水機場ポンプ設備の減速機（図-1）は、故障が発生すると排水機場の運転ができなくなるため、「河川ポンプ設備点検・整備・更新検討マニュアル（案）」では致命的な設備に分類されている。これまでは、目視による点検や時間計画保全による取り替え等の維持管理が行われてきた。排水機場で稼働している減速機は入力1000回転程度、出力120回転程度と非常に低回転であり、加速度計による振動計測が困難な設備であった。そこで、本研究では加速度計、ＳＰＭ（ショックパルスメソッド）、ＡＥ（アコースティックエミッション）の3つの計測器による計測結果の比較を行い、減速機の軸受の状態監視に最適な診断手法の検討を行った

図-1 排水機場ポンプ設備（左）と減速機（右）(1)減速機の診断
減速機は軸受や歯車で構成される機械であり、特に軸受は精度の高い精密部品である。軸受に損傷を受けると、一定の回転数で回転している場合、周期的な振動が発生することが分かっている。損傷箇所別による周波数は次式で与えられる。
・外輪の傷が転動体と接触する周波数
𝑍𝑍𝑑𝑑

𝑓𝑓𝑓𝑓＝ �1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝛼𝛼� × 𝑓𝑓𝑓𝑓
2𝐷𝐷(1a)・転動体の傷が内輪又は外輪に接触する周波数
𝑓𝑓𝑓𝑓 =𝑍𝑍 𝐷𝐷
2 𝑑𝑑𝑑𝑑2

�1 − � 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝛼𝛼� � × 𝑓𝑓𝑓𝑓
𝐷𝐷

(1b)

・内輪の傷が転動体と接触する周波数
𝑍𝑍

𝑑𝑑

𝑓𝑓𝑓𝑓＝ �1＋ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝛼𝛼� × 𝑓𝑓𝑓𝑓
2(1c)

𝐷𝐷

ここで、𝑍𝑍：玉数、𝑑𝑑：ボール径、𝐷𝐷：ピッチ径、
𝛼𝛼：接触角、𝑓𝑓𝑟𝑟：軸回転数とする。
上記で得られた周波数を基本周波数として、整数倍の高調波成分等を見ることにより軸受の診断が可能である2）。

回転数 1200rpm の周波数解析では、式(1c)より求めた内輪傷に起因する周波数 65.1Hz に近似した 63Hz とその2 倍の卓越周波数が現れている。しかし回転数が減るに従い卓越周波数があまり見られなくなり、回転数200rpm では正常な軸受との違いが判断できない結果となった。

(2)ローター試験機での計測器比較
計測器の比較を行うため、図-2のローター試験機を製作して加速度、ＳＰＭ、ＡＥの3つの計測器で計測した。
ローター試験機はインバーター制御機能によるモータ駆動で、A、B、2つの軸受の間におもりを着脱できるフライホイールを有する構造であり、軸受Aに金属接触による異常状態を再現した。

三相モータ

軸受B

フライホイール

軸受A

図-2 ローター試験機(3)加速度計による計測結果
はじめに、図-3 に示す電子応用社製の圧電式 3 次元加速度計で計測した。計測結果を図-4 に示す。

図-4 加速度計による周波数解析結果(4)ＳＰＭによる計測結果
次に同様の条件で図-5 に示す SPM instrument japan 社製のＳＰＭ計測器で計測を行った。

図-5 ＳＰＭ計測装置
図-3 圧電式3次元加速度計

ＳＰＭは、軸受の内外輪と転動体の接触面から生じる衝撃波（ショックパルス）を検知し、状態を診断する技術である。計測には、発生するショックパルスの周波数と共振するように設定した加速度センサーを用いる。図-6 に示すようにショックパルスは金属の接触部から発生し、振動周波数に比べて高い周波数のため、低い回転数であっても接触面が存在するとショックパルスが生じる(5) ＡＥによる計測結果
ＡＥセンサーでの計測では、図-8に示す簡易型のFirstAE社製ＡＥセンサーを用いて、ノイズが主な原因となる2mv以下のＡＥをカットして計測を行った。ＡＥとは、微少破壊を始めとする材料内部の動的な変形、変態、転移、破断などにより弾性波が発生する現象であり、数百kHz～数MHzと非常に高い周波数である4)。

ことが分かっている 3)。

図-6 ショックパルスの発生
ＳＰＭ計測器により回転数1200rpmから200rpmまで計測し、周波数解析した結果を図-7に示す。周波数解析の結果から、回転数を減少させても内輪傷に起因すると思われる卓越周波数が確認できる結果となった。

図-7 SPMによる周波数解析結果

図-8 ＡＥセンサー
今回の計測では、ＡＥの発生の有無を確認することが目的であるため、計測のみ可能なＡＥ計測システムを用い、その結果を図-9に示す。横軸は時間、縦軸はＡＥの実効値（ＲＭＳ値）を表している。回転数1200rpm及び600rpmでは多くのＡＥを計測している。更に回転数200rpmであっても正常な軸受Bと違いが分かる結果となった。ただし、台座の振動やセンサーのズレなどでも大きなノイズが発生するため、大きな騒音や振動がある排水機場では、解析する際のノイズ除去方法の検討が必要である。

図-9 ＡＥ計測結果

(6)軸受の精密評価
計測を行ったローター試験機の軸受Aを分解し、光学顕微鏡（500倍）及び電子顕微鏡(10000倍)で撮影し、内輪、外輪、転動体の表面状態の観察を行った。目立つ損傷が見られた内輪の様子を図-10に示す。

図-12 減速機の出力側周波数解析結果

図-10 内輪の光学顕微鏡(左)及び電子顕微鏡(右)写真
光学顕微鏡では100μm程度の圧痕が確認でき、電子顕微鏡では切削摩耗と考えられる傷跡が確認できた。計測
結果の周波数解析からも内輪傷に起因する卓越周波数が確認できた事から解析結果と軸受の表面状態が一致する結果となった。

(2) ＡＥによる計測結果
同じ減速機の出力側及び入力側の軸受を、ＡＥセンサーで計測した結果を図-13 に示す。

出力側Time(sec)

入力側
RMS（mv）(1) ＳＰＭによる計測結果
ローター試験機の結果を基に、北海道内の設置後 40年近くが経過した排水機場において、遊星歯車減速機の診断を実施した。遊星歯車減速機の仕様を表-1 に示す。
対象の減速機は出力側が 150rpm と低い回転数となっており、これまでの加速度計における診断では加速度の値が小さく、周波数解析に苦慮していた設備である。

RMS（mv）

3. 現場での診断事例

表-1 遊星歯車減速機の仕様
主原動機形式

この減速機で発生したショックパルスの周波数解析からは、低回転であっても特徴的な周波数成分が得られた。
この軸受の仕様を元に得られた内輪傷に起因する損傷周波数の基本成分と、その2倍3倍の周波数成分があることから軸受の内輪に傷がある可能性が見受けられ、今後の変化を注視する必要がある。ただし、計測ポイントの違いにより解析結果が変わることがあり、特に排水機場は設置場所により設備の形状が違うため、計測ポイントの選定方法の確立が必要である。

ディーゼル機関主原動機出力228Kw

Time(sec)

減速機型式

遊星歯車

図-13 減速機のＡＥ計測結果

減速比1/6.27

出力側回転速度159rpm

入力側回転速度1000rpm

計測の様子を図-11に、計測結果を図-12に示す。

ローター試験機に比べ、ノイズ信号が多く、ＡＥは検出できているが、このままでは評価できないデータとなっているため、フィルタのかけ方や解析手法も検討していく必要がある。

4. まとめ図-11 ＳＰＭによる計測

非常に単純な構造であるローター試験機を用いて、加速度、ＳＰＭ、ＡＥの 3 つの計測器による計測結果と軸受表面の精密評価の比較を行うことで、計測器それぞれの特徴を把握することができた。また、現場での減速機診断においても、加速度計が苦手とする低速回転での異常診断が、ＳＰＭでは可能であることが分かった。
今後、ＡＥも含め様々な診断手法を組み合わせることで、排水機場等の非常用設備における総合的な状態監視診断手法を検討していく予定である。
参考文献
１）中島淳一,梶田洋規,藤野健一：河川ポンプの多様な診断,土木技術資料第 59 巻・第 8 号,2018２）豊田利夫：回転機械診断の進め方,日本プラントメ
ンテナンス協会,pp.213-215,1991
３）亀井稔：転がり軸受の稼働状態における的確評価の実現,(社)日本プラントメンテナンス協会,第 46 回設備管理全国大会講演,2006
４）日本非破壊検査協会：アコースティックエミッション試験Ⅱ,2008